Gözlemlenebilir Evren Hiçlikten Nasıl Oluştu?

Gözlemlenebilir evren büyük patlama ile hiçlikten nasıl oluştu? Son günlerde okurlarım üst üste soruyor ve bunu yanıtlamak için önce kavramları netleştirmek gerekiyor: Gözlemlenebilir evren yaklaşık 92 milyar ışık yılı çapında olup bugün ve sonsuz gelecekte teorik olarak görebileceğimiz en uzak noktayı kapsar. Büyük patlama ise evrenin oluştuğu andır.

Evrenin doğduğu an

Bugün 36 milyon ışık yılından uzak olan hemen tüm galaksiler bizden uzaklaşıyor ve ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaşıyor. Bu da evreni film gibi geri sarabilseydik galaksilerin geçmişte tek bir noktada toplanacağını gösteriyor. Büyük patlama işte o noktadır. Evren büyük patlamadan beri sürekli genişliyor ve karanlık enerji nedeniyle sonsuza dek genişlemeye devam edecek.

Üstelik 2 büyük patlama var: Sıcak ve soğuk büyük patlama. Kafamız karışmasın diye yazıda büyük patlama derken yaşadığımız gözlemlenebilir evreni, fizik yasalarını, bildiğimiz anlamda uzay-zamanı, temel atomlar ve parçacıkları oluşturan sıcak büyük patlamayı kast edeceğim. Peki evrenin hiçlikten oluşması ne demek ve büyük patlama neden uzayda bir nokta değil de zamanda bir andır?

Büyük patlama uzayın içinde gerçekleşmedi. Bildiğimiz anlamda uzay büyük patlamayla oluştu ve zaman büyük patlamayla akmaya başladı. Uzay-zaman büyük patlamayla belirdiği için evrenin hiçlikten oluştuğunu söyleyebiliriz. Bu yüzden büyük patlama uzayda bir nokta değil zamanda akan ilk andır. Ondan önce uzay ve zaman varsa bile bizim için yok hükmündedir. Evet, temel kavramları açıkladığımıza göre evrenin nasıl oluştuğunu bilindiği kadarıyla anlatabiliriz. 🙂

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Gözlemlenebilir evren bileşimi

Evren boş değildir. Uzay boşluğundaki madde ve enerjiyi çıkarsanız bile hiçliğin enerjisi var ki enerjinin korunumu gereği evrenin hiçlikten oluşabilmesinin tek yolu hiçliğin enerjisinin olmasıdır. Bugün evrene baktığımızda kuantum alanları, madde, karanlık madde, enerji ve karanlık enerjiyle dolu olduğunu görüyoruz. Evren 13,8 milyar yıl önce oluştu ve yüzde 68 oranında karanlık enerji, yüzde 27 karanlık madde ve yüzde 5’ten az normal maddeden oluşuyor.

Karanlık enerji ve karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyoruz ama karanlık enerjinin birim uzaydaki şiddeti sabittir. Oysa evren, yani uzay boşluğu büyük patlamadan beri sürekli genişliyor ve evrendeki karanlık enerji miktarı artıyor. Karanlık enerji uzayın genişlemesine yol açtığı için evren genişledikçe karanlık enerjinin oranı ve etkisi de artıyor. Gözlemlenebilir evren son 5 milyar yılda gittikçe hızlanarak genişliyor. Oysa bu hikaye daha yeni başlıyor. Bir de karanlık madde var:

Onun da ne olduğunu bilmiyoruz ama karanlık maddenin yerçekimi galaksilerdeki yıldızları bir arada tutuyor. Ayrıca karanlık madde büyük patlamadan kalan ses dalgalarıyla birlikte ilk galaksiler ve galaksi kümelerinin 13,5 milyar yıl önce oluşmasından sorumludur. Burada dikkat etmemiz gereken nokta karanlık maddenin normal maddeden 5 kat fazla olması ve maddenin evrenin yüzde 5’inden azını oluşturuyor olmasıdır. Peki bunun ne anlamı var?

Aslında felsefi anlamı büyük:

Yaşam normal maddeden oluşuyor ve bu da evrenin sanıldığı gibi yaşama uygun olmadığı anlamına geliyor. Dünya’da ortaya çıkan bizler kibrimize kapılıp yaşam şovenizmi yapmamalıyız; çünkü madde evrende azınlıktır ve bildiğimiz kadarıyla yalnızca Dünya yaşama uygundur. Dünyamızın ve doğal çevrenin kıymetini bilmemiz lazım. Evrende yalnız olabiliriz. 😉 Evrenin genel çerçevesini de çizdiğimize göre hikayesine geçebiliriz. Evren nasıl oluştu?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Gözlemlenebilir evren ve antimadde

Her insan kendi içinde bir evrendir derler. Bu yüzden evrenin nasıl oluştuğunu bizim nasıl oluştuğumuzdan bağımsız düşünemeyiz. Dünya’da yaşamın nasıl ortaya çıkmış olabileceğini önceki yazılarda anlattım ve bugün atomlarımızın nasıl oluştuğuna odaklanacağım. Bunun için de evren ta büyük patlama anında neden yok olmadı diye sormamız gerekiyor; çünkü enerjinin korunumu yasasına göre madde ve antimadde büyük patlamada eşik miktarda yaratılmış olmalı.

Oysa madde ve antimadde birbiriyle temas edince yok olarak başka parçacıklara ya da enerjiye dönüşür! Bu durumda maddenin antimaddeden biraz daha fazla üretilmesini sağlayan bir mekanizma olmalı ki büyük patlama anındaki yok oluştan geriye kalan madde galaksilerle yıldızları yaratsın. Alternatif olarak antimaddenin ömrü maddeden daha kısa olabilir ve bu da antimaddenin bozunarak maddeye dönüşmesine neden olabilir. Her durumda madde antimaddeden fazla olacaktır.

Nitekim antimadde bugün evrende aşırı nadir ve istisna. Parçacık hızlandırıcılarında antimadde üretmenin maliyeti ise tekniğinize ve ne tür antimadde ürettiğinize bağlı olarak gram başına milyarlarca dolardan başlayıp 60 trilyon dolara kadar çıkıyor. Daha teknik bir açıklama isterseniz maddenin baskın gelmesi için aşağıdaki koşullardan en az biri gerçekleşmeli:

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Antimadde neden nadir?

Birinci olasılık: Antimadde evrenin genişlemesi sırasında gözlemlenebilir evrenin dışına itilmiş olabilir. Gerçi kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) haritasıyla kanıtlanmış olan kozmik enflasyon teorisine göre madde ve enerji evrene büyük ölçeklerde eşik ölçüde dağıldı. Bu yüzden antimaddenin uzayda bir yerde toplanıp bizden uzaklaşması pek mantıklı görünmüyor.

İkinci olasılık: Büyük patlamadan sonra elektrozayıf kuvvet elektromanyetik kuvvet ile zayıf nükleer kuvvet olmak üzere ikiye ayrıştığında meydana gelen ve sphaleron olarak adlandırılan kuantum etkileşimleri sırasında antimadde büyük ölçüde yok olmuş olabilir. Baryon ve lepton sayılarını ihlal eden bu süreçleri ayrıca yazacağım.

Üçüncü olasılık: Antimadde büyük ölçüde nötrinolardan oluşabilir, nötrinolar kendisinin antimaddesi olabilir ve büyük patlamadan sonra büyük ölçüde maddeye dönüşerek antimaddeyi tüketmiş olabilir. Evrenin antimadde yok oluşundan nasıl kurtulduğunu lepton türeyişinde anlattım.

Buna yük parite ihlali de deriz ve özetle madde ile antimaddenin eşit olmadığını söyler. Örneğin antimaddenin enerjinin korunumu gereği madde parçacıklarının zıt elektrik yüklü ayna görüntüsü olduğunu kabul ederiz (negatif yüklü elektron yerine pozitif yüklü antielektron, pozitron gibi). İkisi arasında fark olmaması gerekir ama yük parite ihlali varsa antimadde maddeden daha kısa ömürlü olup büyük patlama sırasında kendiliğinden yok olacaktır!

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Gözlemlenebilir evren ve yaşam

Biz insanlar karbon ve kalsiyum gibi ağır elementlerden oluşuyoruz. Evet, vücudumuzun yüzde 60’ı sudan oluşuyor ama su molekülleri de oksijen atomları içeriyor. Oysa büyük patlamada yalnızca hidrojen, helyum ve az miktarda lityum elementi sentezlendi. Geri kalan elementleri yıldızlar üretti. Carl Sagan’ın dediği gibi Dünyamız ve biz insanlar yıldız tozundan meydana geldik. Hatta bedenimizin yarısı başka galaksiden geliyor.

Yıldızlar ağır elementleri ömrünün sonunda, çekirdekleri sönmeye yüz tuttuğunda sentezler. Bu elementleri ya sakince sönen veya süpernova halinde patlayan yıldızlar üretir ve uzaya üfler. Titanyum, vanadyum, molibden, altın ile uranyum gibi en ağır elementleri süpernovalar ve çarpışan nötron yıldızları üreterek galaksiye saçar. Tabii bunun için yıldızlar ve galaksilerin oluşmasına izin veren bir evrene ihtiyacımız var. Peki bu evrenin şartları nedir?

• Yerçekimi küçük galaksilerin birleşerek büyük galaksiler üretmesine izin verecek kadar güçlü ama yıldızların kara deliğe dönüşmesine engel olacak kadar zayıf olmalı.
• Karanlık madde gazın ilk yıldızlar ve galaksiler halinde çökmesine izin verecek kadar bol olmalı.
• Çarpışan galaksiler yeni yıldız ve gezegenlerin oluşumunu tetiklemeli.
• Madde, karanlık madde, enerji ve karanlık enerji büyük patlamada uygun dengede olmalı. Karanlık enerji zayıf olsa evren hemen kara delik halinde çökerdi. Çok güçlü olsa evren hızla genişler ve madde ile enerji yıldızlar oluşmadan önce uzayda seyrelirdi.
• Büyük patlamada karanlık maddenin evrene eşit dağılmasını önleyerek karanlık madde bulutları oluşturan rastgele kuantum salınımları gerçekleşmiş olmalı ki karanlık maddenin yerçekimine kapılan gazlar galaksilerle yıldızları oluştursun.
• Özünde büyük patlamanın karanlık maddeye ve kuantum salınımlarına izin vermesi gerekiyor. Peki bu nasıl oldu?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Gözlemlenebilir evren başlangıç koşulları

Dediğim gibi karanlık maddenin ne olduğu veya nasıl oluştuğunu bilmiyoruz ama elimizde birkaç teori var:

• Karanlık madde büyük patlamayla oluştuktan sonra antimadde yok oluşundan kurtulmuş olabilir. Sonuçta elektromanyetik kuvvetten, yani ışıktan etkilenmiyor ve bu yüzden görünmez oluyor.
• Antimaddenin varlığı elektrik yükü gerektirdiği ve karanlık madde elektrikten etkilenmediğinden evrende anti karanlık madde olmayabilir! Bu çok mantıklı; çünkü karanlık madde normal maddeden 5 kat fazla. Belki de maddenin sayısını antimadde yok oluşu azalttı ama karanlık madde büyük patlamadan bu yana hiç azalmadı. Diğer senaryolara gelince:
• Evren büyük patlamayla tekrar ısınıp faz geçişi yaşarken (buzun erimesi gibi) açığa çıkan enerji vakumdan büyük kütleli parçacıkları çekip aldı (karanlık madde aksiyonlardan oluşuyorsa).
• Karanlık madde henüz keşfedilmemiş olan steril nötrino ya da bilinmeyen yeni bir sağ elli ağır nötrinodur.
• Karanlık madde bizzat yerçekimi alanından türeyen çok büyük kütleli parçacıklardan oluşuyor olabilir (Zayıf etkileşen cüsseli parçacıklar olan WIMP’lerin daha büyük kütleli bir versiyonu. Dev Godzilla canavarından esinlenerek WIMPzilla).
• Toparlarsak karanlık madde galaksiler, yıldızlar ve gezegenlerin oluşması için gereken yerçekimini sağlamak açısından hayat için şarttır. Bu durumda büyük patlamanın karanlık madde yaratacak kadar enerjik olması gerekiyor; çünkü kütle enerjiden türeyen bir özelliktir. Peki büyük patlama neden çok sıcaktı?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Gözlemlenebilir evren ve kozmik enflasyon

Büyük patlamanın evreni oluşturmak için enerjik olması gerekiyor. Oysa bildiğimiz anlamda uzay-zaman büyük patlamayla oluştu. Öyleyse büyük patlama enerjiyi nereden çekti? Durun! Buna yanıt vermeden önce gözlemlenebilir evrenin üç büyük özelliğini dikkate almamız gerekiyor:

• Evren düzdür. Paralel ışık ışınları evrenin kenarına kadar birbiriyle kesişmez.
• Madde ve enerji uzaya büyük ölçekte eşit yayılmıştır ki birim uzayda galaksilerin sayısı gökte her yerde neredeyse eşittir. Öte yandan madde-enerji uzaya küçük ölçekte dağınık dağılmıştır. İşte galaksiler arası boşluk, işte yıldızlar ve gezegenler arası boşluk.
• Evrenin yaşı 13,78 milyar yıl ama çapı 92 milyar ışık yılıdır. Evrenin çapı nasıl olur da yaşından büyük olur? Buna biraz daha yakından bakalım:

Yazının başında değindiğimiz kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) büyük patlamadan kalan ışık olup aslında bir ısı haritasıdır. Büyük patlama anında evrendeki sıcaklık dağılımını gösterir. Haritada mavi yerler soğuk ve kırmızı-sarı yerler sıcak bölgelerdir. Aslında beneklerin her biri yüz binlerce galaksiden oluşan süper kümelere karşılık gelir. Büyük patlamada evren çok küçük ve sıcaktı ama zamanla genişledi ki haritadaki benekler de süper galaksi kümelerine evrildi.

Yine mavi bölgeler ile kırmızı bölgeler arasındaki sıcaklık farkı 1 derecenin 15 binde birini geçmez. Peki hiçbir şey ışıktan hızlı gidemezse ve evrenin çapı yaşından büyükse ışık CMB üzerinde evrenin bir ucundan diğerine nasıl gitmiş, evrenin sıcaklığını her yerde hemen hemen nasıl eşitlemiş olabilir? İşte bu sorunun yanıtı da büyük patlama anında evrenin çok sıcak ve küçük olmasına bağlıdır ama neden?

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Gözlenebilir evren şişiyor

Kozmik enflasyon yazısında detaylı anlattığım üzere evrenin büyük patlamadan önce çok küçük olduğunu varsayarsanız bu sorun çözülür. Bugünkü evren büyük patlamadan önce 10^-28 cm çapında süper sıcak bir noktaydı. Yerçekimi dahil 4 fizik kuvveti o sıcakta faz geçişi nedeniyle birleşmiş ve tek bir kuvvet gibi davranıyordu. Evrene hükmeden tek bir kuantum alanı vardı ve o da skalar alandı.

Skalar alanların bir noktasındaki enerjiyi ölçerseniz alanın tamamını ölçmüş olursunuz. Günümüzde evrene hükmeden kuantum alanları skalar değildir. En basitinden odanız sıcakken cadde soğuktur ama skalar alanların bir özelliği vardır. Denizler gibi geç ısınır ve geç soğur ki evren öncesi evren de rastgele kuantum salınımları ile genişlemeye başladı:

Evren o sırada çok küçük olduğu için genişlemeyi nötrinodan küçük bir şeyin nötrino boyuna ulaşması gibi yavaş ve önemsiz bir şey gibi düşünün ama skalar kuantum alanı için çok önemliydi. Evren genişledikçe soğudu fakat skalar alan sıcak kaldı ve enerjisini boşaltmak için genişlemeye başladı. Aslında ışıktan hızlı şişti; çünkü ışıktan hızlı gidemeseniz bile uzay ışıktan hızlı genişleyebilir.

Böylece 10^-28 cm çapındaki bizim evren parçası her 10^-28 saniyede iki kat genişleyerek 100 kez ikiye katlandıktan sonra bir bezelye tanesi veya kullandığınız teoriye göre greyfurt boyuna erişti. Evrenin şişmesine neden olan bu skalar kuantum alanına inflaton alanı deriz ama kuantum belirsizlik gereği inflaton alanı kararsızdır. Radyoaktif atom gibi aniden bozunur ki inflaton alanı da aniden çöktü!

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Sıcak büyük patlama

Belki bezelye tanesi boyutundaki gözlemlenebilir evrenin dışında inflaton alanı sonsuza dek genişlemeye devam ediyor ama en azından bizim bulunduğumuz yerel uzayda çöktü ve uzay ani bir faz geçişi yaşayarak ışıktan yavaş genişlemeye başladı. Kozmik enflasyon 10^-35 saniye önce başladı ve en geç 10^-32. saniyede sona erdi. Şişmeden arta kalan enerji yerel evreni yeniden ısıttı ve sıcak büyük patlama yoluyla karanlık madde dahil hemen her şeyi yarattı (ağır elementler hariç).

Kozmik enflasyon başta evrenin çapının yaşından büyük olması olmak üzere yukarıdaki üç soruyu çözüyor: CMB bugün 92 milyar ışık yılı çapındaki bir alanı kaplıyor ama aslında gözlemlenebilir evrenin tamamını kaplıyor ve o evren bir zamanlar sadece bezelye tanesi çapındaydı! Kısacası fotonlar oluştuktan sonra evrenin tamamına erişerek kuantum salınımları hariç sıcaklığı her yerde eşitledi.

Aynı nedenle maddeyle enerji büyük ölçeklerde uzaya eşit yayılmış ama küçük ölçeklerde ve kuantum salınımları nedeniyle dağınık dağılmıştır. Keza evren düzdür; çünkü büyük patlama anında yan yana duran uzay bölgeleri artık gözlemlenebilir evrenin dışında kaldı. Nitekim yaşadığımız evren kendisinden yüzlerce kat büyük olan mega evren yüzeyindeki bir dairedir. Nasıl ki Dünya yuvarlaktır ama yerden bakınca düz görünür, evren de yuvarlaktır ama çok büyük olduğundan bizim evrende uzay düz görünür.

İlgili yazı: Halka Kuantum Kütleçekim Sicim Teorisine Karşı

 

İşte gözlemlenebilir evren böyle oluştu

Bu yazıda evrenin bildiğimiz kadarıyla hiçlikten nasıl oluştuğunu gördük ama evrenin büyük patlamayla hiçlikten oluştuğunu söylemek için önce hiçliğin tanımını doğru yapmamız gerekiyor. Bu da bilimden çok felsefenin alanıdır. Hiçlik nedir?

• İlgilendiğiniz şeylerin var olmadığı bir zaman.
• Boş fiziksel uzay.
• Mümkün olan en düşük enerji düzeyindeki boş uzay-zaman.
• Evreni ve fizik yasalarını çekip aldığınızda hiçlikte geriye kalan temel kuantum alanları.

Hiçliğin ilk iki tanımına göre evren hiçlikten var olmamıştır. Son iki tanımına, yani bilimsel tanımına göre evren bir anlamda hiçlikten oluşmuştur; çünkü fizikte felsefi anlamda, yani hiçbir şey olmaması anlamında hiçlik yoktur. Gözlemlenebilir evren ondan önce gelen kuantum alanlarının içinde oluşmuştur; çünkü yoktan enerji üretemez veya enerjiyi yok edemezsiniz.

Peki Evrenin Kenarı Nerede ve Nasıl Gideriz? Peki ya kozmik sicimler sayesinde yıldızların çekirdeğinde bile yaşam varsa? Onu da şimdi okuyabilir, kozmik enflasyon nedeniyle kainatta sonsuz sayıda evren olup olmadığına bakabilir (çoklu evren), evrende yalnız mıyız konusu için nadir dünya hipotezini görebilir ve kara deliklerden geçerek başka evrenlere nasıl seyahat edebileceğimize hemen göz atabilirsiniz. Şimdiden bol yürüyüşlü ve aydınlık bir Pazar dilerim.

Kozmik enflasyonu görelim

¹Inflationary Cosmology: From Theory to Observations
²Cosmic Inflation: Trick or Treat?
³On Quantum Simulation Of Cosmic Inflation